安徽廣電項目水蓄冷方案經濟效益評價

董長進 魏展雄

中國建筑科學研究院深圳分院

1 水蓄冷空調節能經濟評價理論基礎

項目經濟評價，一般對方案全壽命周期[1]的增量成本進行核算，采用回收期、投資收益率、凈現值、將來值、凈年值等經濟指標計算分析和評價方法，對互斥型項目方案進行經濟評價。

1.1 水蓄冷節能項目增量成本

水蓄冷空調項目的全壽命周期增量成本LCC計算，包括土建投資增量成本C土建，機房設備增量成本C機房，水池（水槽或水罐）增量成本C水池，電力及自控增量成本C電力和運營管理增量成本，則有：

1.2 互斥型項目方案評價方法

對多個互斥型項目方案采用互斥型方案的靜態指標優選方法中的增量投資分析法進行評價。假定常規空調方案1的投資成本為I1，各年使用成本為C1。蓄冷空調方案2的投資成本為I2，各年使用成本為C2，項目全壽命周期假設為n年。

1）空調方案增量投資回收期

蓄冷方案增量投資回收期計算公式為：

2）蓄冷增量投資收益率

3）增量投資凈現值、將來值、凈年值

a、增量投資凈現值（△NPV）是指用在空調行業設定的折現率ic，將蓄冷空調方案在整個計算期間內各年所發生的凈現金流量之差，皆折現到蓄冷空調投資方案開始實施的現值之和，其計算見以式（4）：

式中：△NPV為凈現值；(CI-C0)為第t年的凈現金流量；ic為基準收益率；n為方案計算期。

b、增量投資凈將來值（△NFV）是將每年的凈收益與等額資金系列終值系數相乘，初期投資額與一次支付值系數相乘，兩者再相減進行差額比較。

c、增量投資凈年值（△NAV）是將初投資額資金回收系數，再將其折算成等額年值。

故當△NPV2-1、△NFV2-1、△NAV2-1≥0 時，則選擇蓄冷空調方案投資大的節能空調方案，反正，則選擇常規空調投資較小的空調方案。

2 水蓄冷方案的增量成本與效益測算

2.1 增容費政策

合肥市對用電用戶收取增容費，雙回路每kVA收取2000～3000元。用電增容費計算公式：

式中：Sz為用電增容費，元；Pz為每kVA用電增容費，元/kVA；Qz為變壓器增加容量，kVA。

2.2 蓄冷項目空調節電增量效益參數

2.2.1 增量效益

蓄冷空調系統的全生命周期增量效益分為增量經濟效益，增量環境效益和增量社會效益，其中經濟效益為直接效益，環境效益和社會效益為間接效益[1]。

2.2.2 水蓄冷項目經濟效益

水蓄冷對用電可進行削峰填谷，平衡電網，減少峰值負荷電力電站投資，而且優化資源配置，帶來社會效益。

1）水蓄冷項目經濟效益

各用電時段電量及電費為：

式中：E 為項目全壽命周期電費，元；Ph、Pd、PL分別為第t年高峰、平峰及低谷時電價，元 /kWh；Dh、Dd、DL分別為第 t年高峰、平峰、低谷天數；Qh、Qd、QL第 t年高峰、平峰、低谷節約電量，kWh；Q為年高峰、平峰、低谷節約總電量，kWh。

綜上所述，節能項目經濟效益為節約的設施費和節電效益總和。

2）水蓄冷系統節省設備費用

水蓄能空調主機和變壓器設備的初始投資設備費，直接計算其節約的電量。其中，節省的空調和變壓器設施費為：

式中：P表示價格，Q表示數量。

3）空調節水經濟效益

本論文的水蓄冷技術項目給冬季空調節電增量效益有：蒸汽換熱后凝結水回收帶來的效益，此部分蓄冷水池兼作冬季蒸汽冷凝熱回收利用供空調采暖，達到節水和節能目的，同時帶來一定經濟效益，節水項目增量經濟效益為：

式中：E節水為節水增量效益，元；P水價為第t年的水價，元 /m3；Q 節水為年節水量，m3。

3 水蓄冷方案經濟效益評價案例分析

3.1 項目概況

本項目為安徽廣播電影電視局新中心，位于合肥政務新區。建設總用地面積163013.25 m2，新中心占地273畝，建筑最高44層，主樓高301 m，水平長約600 m，總建設規模約40萬m2，為合肥市最高最長建筑。

3.2 項目空調設計方案與內容

3.2.1 項目空調設計方案

本項目冬季采用蒸汽換熱空調采暖形式。夏季可采用水蓄能+常規中央空調系統、冰蓄冷+常規電制冷空調系統或完全常規電制冷中央空調系統。由于用戶使用的空調末端一樣，本項目只對能源中心的冷熱源進行分析。

經清華斯維爾負荷計算軟件對該項目進行逐時負荷計算，根據逐時冷負荷計算，最大冷負荷約46000 kW，最大冷負荷日總負荷約395000 kWh。

3.2.2 項目空調系統冬夏冷熱源方案

空調系統能耗由系統管路，冷熱源設備，過濾設備，末端設備以及循環設備等能耗組成。本項目空調冷源可選擇三種方式，即常規電制冷方式、水蓄冷+電制冷方式和冰蓄冷+電制冷方式。成本分析時不考慮安裝成本，三種空調方案計算投資時其它設備及系統安裝費基本相同，本文對其它安裝費不涉及增量成本，省略安裝費項目。

1）常規電制冷空調系統

根據逐時冷熱負荷分析，常規空調采用電制冷冷水機組、汽水換熱機組、水泵、水處理設備、膨脹水箱、冷凝器清洗設備等，其設備選型略。其常規空調系統主要設備及價格匯總約2263.63萬元。

2）水蓄冷+常規電制冷空調系統

根據逐時冷熱負荷分析，水蓄冷系統仍采用常規空調采用電制冷冷水機組、汽水換熱機組、水泵、水處理設備、膨脹水箱、換熱器、冷凝器清洗設備等。設計選型根據最大冷負荷約46000 kW及熱負荷，最大冷負荷日總負荷約395000 kWh，按經濟蓄冷率0.3考慮，需蓄冷約118500 kWh，系統負荷側供回水溫：6/13℃，蓄冷側供回水溫：4/11℃，蓄冷槽的最低蓄冷溫度設計為4℃，夏季冷凍水的最大蓄冷溫差、△T=11-4=7℃，系統設備選型略。該系統主要設備及價格匯總約2690.5萬元（電力增容費按合肥供電局規定，本項目按2000元/kVA測算，減少電力投資160萬元）。

蓄冷空調系統不同工況時節能運行需采用運行策略(略)。

3）冰蓄冷+常規電制冷空調系統

設計選型根據最大冷負荷約46000 kW及熱負荷，最大冷負荷日總負荷約395000 kWh，按經濟蓄冷率0.3考慮，需蓄冷約118500 kWh，選擇合資制冷、蓄冰設備。采用制冷機組和蓄冰裝置并聯的流程。載冷劑是質量百分數為25%的乙烯乙二醇溶液。空調夏季供冷工況參數為：冷凍液溫度6℃/11℃，空調供、回水溫度為6℃/12℃，雙工況機組蓄冰工況參數為：冷凍液-4℃/-0.5℃。蓄冰裝置選擇蓄冰盤管及混凝土冰槽等。運行策略參照水蓄冷運行策略。冰蓄冷空調系統主要設備及價格約3041.01萬元。

3.3 項目空調方案增量成本測算

通過對安徽廣播電視新中心項目節能空調方案分析，水蓄冷空調系統方案相對于常規空調系統，節約變壓器容量約2662 kVA，冰蓄冷空調系統相比常規空調系統，節約變壓器容量約2668 kVA，合肥地區電力增容費為2000元/kW，變壓器150～180元/kVA，由式（1）～（6）計算出設備增量成本、減少的電力增容費及電力減少的投資成本。

①與常規空調相比水蓄冷系統增量成本

△I1=3382.65-2263.63=1108萬元

節省電力增容費和電力系統投資成本E節能設施 =2662×2000+2662×150=572 萬元

初投資增量成本△I=1108-572=536萬元

②與常規空調相比冰蓄冷系統增量成本

△I1=3694.61-2263.63=1431萬元

節省電力增容費和電力系統投資成本E節能設施=2668×2000+2668×150=574萬元

初投資增量成本△I=1431-574=857萬元

3.4 項目空調方案經濟效益測算

3.4.1 經濟效益分析的基礎數據

合肥市蓄能后峰谷分時電價相關政策，分時電價表（表1）如下：

空調夏季運行費用計算，通過分析蓄冷空調系統的運行，經計算可得出常規空調系統和蓄冷空調系統兩部分運行電費。夏季需要空調按每年180天計算供冷期對系統進行分析。100%空調負荷約24天，75%空調負荷約60天，50%空調負荷約60天，25%空調負荷約36天。

3.4.2 空調節能設計方案節能效益測算

1）空調運行年運行電量測算

三種方案夏季空調運行根據不同運行策略100%負荷、75%負荷、50%負荷、25%負荷率全年分別為24、60、60、36天，高峰每天運行3小時，平峰每天7小時計算，由式（8）～（11）。

①夏季常規空調每小時總用電量12133 kW，高峰時段每天用電3 h，平峰每天用電7 h，100%負荷、75%負荷、50%負荷、25%負荷率時小時用電量分別為12133 kW、9099 kW、6066 kW、3033 kW，年運行電量：

②夏季水蓄冷+常規空調每小時總用電量：根據運行策略，空調系統100%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為9471 kW、9111 kW、3416 kW；75%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為2235 kW、8299.9 kW、3416kW。50%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為1490 kW、3746 kW、3416 kW。25%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為745 kW、745 kW、3416 kW。高峰時段每天用電3h，平峰每天用電7h，低谷空調末端不耗電，只計算蓄冷設備電量3416 kW，蓄冷設備每晚運行50%以上負荷率運行8 h，25%負荷率時蓄冷運行 7.5 h，由公式（8）～（11）年運行電量：

與常規空調相比，總電量△Q=13103640-13000118=103522 kWh

節省電量比例 i=△Q/Q常=103522/13103640=0.79%。

③夏季冰蓄冷+常規空調每小時總用電量：根據運行策略，空調系統100%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為9465 kW、9465 kW、4850 kW。75%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為2967 kW、8199.9 kW、4850 kW。50%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為1978 kW、4333 kW、4850 kW。25%負荷率時高峰平峰每小時用電量分別為989 kW、989 kW、4850 kW；高峰時段每天用電3h，平峰每天用電7 h，低谷空調末端不耗電，只計算蓄冷設備電量4850 kW，蓄冷設備每晚運行50%以上負荷率運行8 h，25%負荷率時蓄冷運行 7.5 h，由式（8）～（11）年運行電量：

與常規空調相比，總電量△Q×13103640-15678324=-2574684 kWh

節省電量比例i=△Q/Q常=2574684/13103640=19.6%。

④夏季水蓄冷、冰蓄冷電量與常規空調年運行電量相比年轉移高峰時段、平峰時段電量及開發低谷電量為：

水蓄冷：年轉移高峰時段電量Qh1=Qh0-Qh水=2524014 kWh

年轉移平峰時段電量Qd1=Qd0-Qd水=2437060 kWh

年開發低谷時段電量QL=4857552 kWh

冰蓄冷：年轉移高峰時段電量Qh2=Qh0-Qh冰=2252700 kWh

年轉移平峰時段電量Qd2=Qd0-Qd=2069316 kWh

年開發低谷時段電量QL=6896700 kWh

2）空調方案經濟效益測算

三種方案夏季空調根據不同運行策略運行費用根據式（12）及合肥峰谷分時電價表1：

①夏季常規空調年運行費用E常=3931092×1.1928+9172548×0.7975=1200萬元

②水蓄冷空調系統年運行費用E=1407078×1.1928+6735488×0.7975+4857552×0.3104=855萬元

③冰蓄冷空調系統年運行費用E冰=1678392×1.1928+7103232×0.7975+6896700×0.3104=980萬元

④空調節水節能經濟效益測算

本論文僅分析蒸汽冷凝水回收帶來的效益。蒸汽冷凝回收余熱儲存在水池里，通過換熱后供給冬季空調采暖系統，通過換熱后的溢水用于其它澆灌。蒸汽冷凝水回收熱水每天10 h，流量40 m3/h，5.75kW/(h·m3)。根據式（14）：

E節水=40×2.8×75×10=8.4 萬元

水蓄冷空調系統年增量效益：E水總=E常-E水+E節水+E水=1200-855+8.4+20.8=374.2萬元

冰蓄冷空調系統年增量效益：E冰總=E常-E冰=1200-980=220萬元

3.5 項目經濟效益評價

3.5.1 項目經濟效益評價

通過對安徽廣播電視中心項目經濟測算，空調用電節省對節能效益進行經濟評價，計算其投資回收期和內部收益率。

1）按空調行業項目15年為計算期，蓄冷現金流量見表2。

②蓄冷增量投資收益率根據式（2）計算如下：

水蓄冷增量投資收益率：R=374.2/536×100%=69.8%

冰蓄冷增量投資收益率：R=220/857×100%=22.45%

3.5.2 互斥型項目方案選優

針對該項目的分析，考慮資金時間價值，取行業基準折現率i=12%，空調壽命按T=15年，計算項目的增量效益現值和年值，對項目進行成本效益分析，利用凈現值法進行節能空調方案選優。

各方案現金流量見表2，等額資金現值系數(P/A,I,15)=6.8109。

1）采用凈現值法進行方案選優

由式（3）計算如下：

△NPV水=374.2×(P/A,12%,15)-536=2012.64萬元

△NPV冰=220×(P/A,12%,15)-857=641.40萬元

因此，根據投資收益率和凈現值法方案比較，水蓄冷+常規空調系統為最優方案，即相當于現時點產生的超額利潤值為2012.64萬元。該方案凈現值較冰蓄冷方案多1371.24萬元。

2）選用凈將來值法進行方案選優

由式（4）計算如下：

△NFV水=374.2×(F/A,12%,15)-536×(F/P,12%,15)=11016.21萬元

△NFV冰=220×(F/A,12%,15)-857×(F/P,12%,15)=2765.07萬元

通過凈將來值法計算，水蓄冷空調節能方案為最優方案，該方案將來值比冰蓄冷多8251.15萬元。

3）選用凈年值法進行方案選優

由式（5）計算如下：

△NAV水=374.2-536×(A/P,12%,15)=295.52萬元

△NAV冰=220-857×(A/P,12%,15)=74.19萬元

通過凈現值法，凈將來值法和凈年值法選優比較，水蓄冷空調節能方案為最優方案。

3.5.3 空調節能方案評價結果分析

通過對水蓄冷空調系統，冰蓄冷空調系統與常規空調系統測算比較，冰蓄冷、水蓄冷初投資高于常規空調系統。

采用冰蓄冷的年運行電量比常規空調系統高19.6%，運行費用節省18.3%，投資收益率22.45%，轉移峰段負荷5509 kW。開發低谷電量6896700 kWh。達到節省運行費用目的，但是不節能。

采用水蓄冷空調系統年運行電量比常規空調系統低0.79%，基本持平，但是轉移了峰段負荷，運行費用節省28.8%，投資收益率69.8%。轉移峰段負荷6491 kW。開發低谷電量4857552 kWh。采用此系統既能節省運行費用，同時達到節能效果，產生了好的社會效益。

4 結束語

通過對水蓄冷方案的經濟性計算分析，對該項目空調節能方案選優計算分析，水蓄冷和冰蓄冷皆可節省運行費用，開發低谷電量，轉移了高峰負荷，冰蓄冷雖節省了運行費用，但是耗能較高，水蓄冷空調節能方案為最優方案。在整個壽命周期內，水蓄冷在經濟性方面有很大優勢。

通過通過對安徽廣電中心項目經濟效益分析評價，水蓄冷空調系統在帶來節能效益的同時，還能產生巨大的經濟效益和社會效益。這為水蓄冷空調系統應用推廣提供評價依據和參考。